アルミナセラミックスとジルコニアセラミックス
特殊セラミックスは、ファインセラミックスとも呼ばれ、高純度の無機非金属原料を精密な成形・焼結工程で製造される無機非金属材料の一種です。従来のセラミックスとは異なり、粘土などの天然鉱物を主原料とせず、人工的に合成された高純度原料と高度な製造技術を基盤としており、現代産業および科学技術分野においてかけがえのない重要な位置を占めています。
特殊セラミックスは、その化学組成によって、酸化物セラミックス（アルミナ、ジルコニアなど）、窒化物セラミックス（窒化ケイ素、窒化アルミニウムなど）、炭化物セラミックス（炭化ケイ素、炭化ホウ素など）、ホウ化物セラミックス（ホウ化ジルコニウム、ホウ化ランタンなど）、そして複数の化合物からなる複合セラミックスや金属を添加したサーメットなど、多種多様な種類に分類されます。用途機能によって、高強度・耐高温・複合構造セラミックスと電気・電子機能セラミックスの2つに大別されます。
航空宇宙分野の耐熱部品から電子産業のチップパッケージやセンサー素子、エネルギー分野の燃料電池部品からバイオメディカル分野の人工関節や歯科修復材まで、特殊セラミックスはあらゆる場所で活躍しています。それはまるで縁の下の力持ちのように、現代科学技術の進歩を静かに牽引し、私たちの生活を変えています。
アルミナセラミックス：特性と用途
（1）性能特性
アルミナ（アル₂O₃）を主成分とするアルミナセラミックスは、その優れた性能により特殊セラミックス分野において重要な位置を占めています。ロックウェル硬度HRA80～90とダイヤモンドに次ぐ非常に高い硬度を有し、耐摩耗用途において優れた性能を発揮します。耐摩耗試験において、アルミナセラミックスの耐摩耗性はマンガン鋼の266倍、高クロム鋳鉄の171.5倍に達します。同じ使用条件下では、機器の耐用年数を少なくとも10倍以上延ばすことができます。
アルミナセラミックスの密度は約3.8g/cm³と鋼鉄の半分程度であり、設備への負荷を効果的に軽減します。また、優れた化学的安定性を有し、強酸や強アルカリなどの薬品による腐食にも耐えるため、化学産業などの腐食性環境において広く使用されています。耐熱性も非常に優れており、1600℃以上の高温にも耐えることができ、高温炉のライニング材や耐火物として使用することができます。
（2）応用分野
機械分野では、高い硬度と耐摩耗性を有するアルミナセラミックスが、切削工具、ベアリング、シールなどの製造に使用されています。アルミナセラミック切削工具の切削速度は、一般的な超硬合金切削工具よりも高く、切削効率を大幅に向上させることができます。複合Al₂O₃セラミック切削工具は、焼入れ鋼や合金鋼など、様々な材料の加工も可能です。
電子・電力分野において、アルミナセラミックスは広く利用されています。優れた絶縁性と熱伝導性を有し、セラミック基板、ウエハ、セラミックフィルム、透明セラミック、絶縁デバイスなどに加工できます。例えば、アルミナセラミック基板は、高い機械的強度、優れた絶縁性、高い遮光性を備えており、多層配線セラミック基板、電子実装基板、高密度実装基板などによく使用されています。
化学業界では、アルミナセラミックは反応釜、パイプライン、バルブなどのライニングに使用されます。化学的安定性と耐腐食性を備えているため、さまざまな化学媒体による浸食に耐えることができ、化学生産の安全で安定した操作を保証します。
ジルコニアセラミックス：特性と用途
（1）パフォーマンス特性
ジルコニア（酸化ジルコニウム₂）を主成分とするジルコニアセラミックスは、優れた性能を有しています。モース硬度7～8と比較的高い硬度を有し、耐摩耗用途において優れた性能を発揮します。同じ摩擦条件下では、ジルコニアセラミックスの摩耗量は一般的な金属材料のわずか10分の1です。
靭性も非常に高く、破壊靭性は7～15MPa・m¹/²と、一般的なセラミックスをはるかに上回ります。亀裂の伝播を効果的に抑制し、破損しにくい特性を備えています。耐摩耗性も優れており、ステンレス鋼の200倍以上であり、摩耗の激しい環境において大きなメリットを発揮します。
ジルコニアセラミックスは優れた絶縁性も備えており、室温で優れた絶縁体として電子・電気分野の絶縁要件を満たすことができます。また、耐高温性も優れており、融点は2700℃と高く、高温環境でも安定して使用できます。
（2）適用範囲
構造用セラミックス分野では、ジルコニアセラミックスは切削工具、ベアリング、バルブなどの製造によく使用されています。ジルコニアセラミック切削工具は鋭利で耐久性に優れ、優れた切削性能を備えています。様々な難削材を加工でき、食品と反応しないため、テーブルナイフや手術用ナイフなどの製造に使用されています。ジルコニアセラミックベアリングは、耐高温性、耐腐食性、耐摩耗性などの利点があり、高速・高精度機器に広く使用されています。
機能性セラミックスとしては、ジルコニアセラミックスは酸素センサーや固体酸化物燃料電池の電極などに利用されています。酸素センサーは、酸素イオンの伝導特性を利用して、環境中の酸素含有量を迅速かつ正確に検知することができ、自動車の排気ガス検知や産業用燃焼制御などの分野で広く利用されています。